作者：王晓焙 杨林军 （东南大学能源热转换及其过程测控教育部重点实验室，江苏 南京 210096） Spray Drying Technology of Desulfurization Wastewater Based on Fluent

摘要：旁路喷雾干燥零排放技术日益受到关注，以江苏某燃煤电厂安装的喷雾干燥塔作为研究对象，使用计算机软件 ICEM 以及 Fluent 对塔内脱硫废水液滴的传热传质过程进行研究，分析了烟气温度、烟气速度、废水流量、液滴初始速度和 初始粒径的影响。 研究表明，烟气温度越高，烟气速度越大，废水液滴的蒸发速度越快，完全蒸发所需时间就越短；液滴初始 粒径越大，废水流量越大，液滴完全蒸发时间越长；液滴初始速度对其完全蒸发时间影响不大，在对旋转雾化器选型时，应主 要考虑废水流量以及产生的液滴粒径大小。

关键词：Fluent，脱硫废水，蒸发时间

随着废水排放标准的日益严格及用水、 排水收费制度的建 立，火电厂作为用水、排水大户，需要实现脱硫废水零排放。 在各 种脱硫废水零排放技术中， 旁路喷雾干燥零排放技术引起了广 泛关注。 该技术工艺是将喷雾干燥成熟技术应用于脱硫废水处 理， 脱硫废水经过旋转雾化器雾化成粒径约几十微米的细雾滴 喷入干燥塔内，利用 SCR 脱硝反应器与空预器间的锅炉热烟气 作为热源，在喷雾干燥塔内将废水蒸发，水分进入烟气中，蒸发 析出的粗盐分颗粒落入干燥塔底端被收集转运， 细小盐分颗粒 随烟气进入除尘器处理，达到脱硫废水零排放的目的。 与其他脱 硫废水处理技术相比，具有流程简单、投资运行费用低、占地面 积小、不影响主烟气系统可靠性高等优点。 崔琳［1］ 等通过建立中试试验装置，在真实烟气环境下研究 了中文烟气蒸发脱硫废水过程中的温度变化、产物成分、表观形 貌及颗粒团聚特性；马 双 忱［2］ 等 采 用 CFD 软 件 对 烟 道 脱 硫 废 水 蒸 发 过 程 建立 了 理 论 模 型，研 究 了 烟气 温 度、 烟 气 流 速、液 滴喷 射 角 度、液 滴 粒 径 对 废水 蒸 发 的 影 响；吴 中 华 ［3］ 等将 CFD 理论与喷雾 干燥 的 特 点 结 合，建 立 了 模拟喷雾干燥室内气 体—颗粒两相湍流流动 的 CFD 模型， 得 到 了 喷 雾干燥室内气流的温度、 湿度 分 布 图、气 体 流 线 图 和颗粒相的运动轨迹图。 然而已有的研究主要针 对脱硫废水烟道蒸发或 干燥塔气—固两相流动， 对脱硫废水与喷雾干燥技术相结合的 数值模拟较少。 因此，本文以这方面作为研究内容，为工程实践 提供可靠数据。

1 研究方法

1．1 物理模型 以江苏某燃煤电厂喷雾干燥塔作为研究对象， 具体结构参 数如图 1 所示，塔筒 体 高 8．58m，锥体 高 3．85m，塔径 5．2m，模 拟中雾化器喷嘴位于距离塔顶 1．2m 处， 对构建好的几何模型 使用 ICEM 进行网格划分。 通过 Fluent 来对脱硫废水的喷雾蒸发过程进行数值模拟，经 过对喷雾蒸发的资料查询和分析，发现烟气温度、烟气流速、液滴 粒径等因素是影响热烟气和废水液滴传热传质的关键，并且本文 对液滴初始速度、废水流量也进行研究。 为了确定其关键参数，本 文采用单一控制变量法， 逐一对 上述几个影响因素进行数值模拟 研究，从而得到最佳工况。初始的 计算条件与边界条件如表 1 所 示。 为了考察烟气温度和烟气流 速对液滴蒸发的影响， 将烟气温 度扩展为 573～633K， 烟气速度 扩展为 8～11m ／ s，废水流量扩展 为 0．8～1．4t ／ h， 液滴初始速度扩 展为 60～120m ／ s。 1．2 数学模型 本无采用欧拉－拉格朗日离散颗粒模型（DPM）研究喷雾干 燥过程中液滴群的蒸发特性。 将热烟气作为连续相， 采用标准 k－ε 双方程模型，利用 SIMPLE 算法求解；液滴作为离散相，利 用随机轨道模型研究液滴群的运动、蒸发特性。 脱硫废水液滴的 运动和其他物体运动一样，同样遵循质量守恒方程、动量守恒方 程、能量方程、组分质量守恒。

液滴群蒸发过程假设： 1）脱硫废水中悬浮物浓度比例不到 5％，可认为液滴的蒸 发过程与水滴的蒸发过程类似； 2）喷雾干燥塔被保温棉包裹，假定壁面为绝热状态； 3）废水液滴在蒸发过程中保持球形，不考虑自身破碎； 4）液滴作用力只考虑重力和烟气对液滴的曳力，忽略颗粒 之间的相互作用以及扩散效应； 5）忽略烟气中粉尘对液滴蒸发的影响； 6）忽略烟气对液滴的辐射传热。 2 数值模拟结果与讨论 本文通过计算机软件 Fluent 得到脱硫废水喷入干燥塔后的 三维温度分布云图如图 2 所示。 热烟气进入喷雾干燥塔内与脱硫 废水雾化液滴混合，该处温度降到最低值，随着废水液滴逐渐蒸 发完成，烟气温度上升后趋于平缓。 而且气液传热传质过程主要 集中在干燥塔中心，液滴不易接触到壁面，不会造成湿壁现象。 2．1 烟气温度的影响 在相同烟气速度，不同烟气温度的情况下，液体完全蒸发时 间如图 3 所示。 当烟气温度从 573K 升高到 633K 时，液滴的完 全蒸发时间减少，分 别 为 0．912s、0．698s、0．585s、0．533s，而且 蒸发时间的曲线越来越平缓。

一方面，当液滴与周围温度差较大时，增加了扩散泳力和热 泳力的作用，有利于增加局部的传热传质过程。 另一方面，液滴 蒸发时间与饱和蒸汽压相关。 随着温度的升高，液滴周围形成饱 和蒸汽压液滴的时间越来越短， 而液滴的蒸发受到饱和蒸汽压 的驱动，所以蒸发速度的增幅减小。

2．2 烟气速度的影响 在相同烟气温度、不同烟气速度的情况下，液滴完全蒸发时 间如图 4 所示。 当烟气速度从 11m ／ s 增长到 14m ／ s 时，液滴完 全蒸发时间也随之减少，分别为 0．533s、0．441s、0．389s、0．353s， 可见，烟气速度对液滴完全蒸发时间有较大的影响。 分析原因， 一方面是因为随着烟速的提高， 加大了湍流效 应，液滴受到烟气曳力的影响，增加了液滴间的碰撞接触，产生 更多小直径液滴，其表面积越小，气液两相间换热量越大，完全 蒸发所需要的时间越短；另一方面，随着烟速的提高，单位时间 内带来了更多的热量，增加了液滴吸热效率。

2．3 废水流量的影响 每小时处理脱硫废水量对其蒸发时间的影响如图 5 所示， 从图中可以看出，废水量对其蒸发时间影响较大。 随着废水量的 增加，其所需的蒸发时间越长。蒸发 0．8t ／ h 脱硫废水所需时间为 0．334s，蒸发 1．0t ／ h 时间增加了 29．3％，蒸发 1．2t ／ h 脱硫废水所 需时间为 0．533s，比 0．8t ／ h 增加了 59．6％；蒸发 1．4t ／ h 的脱硫废 水所需时间大大增加，为 0．881s，是蒸发 0．8t ／ h 的 2．64 倍。

废水量越大，单位空间内液滴越多，液滴在热烟气中吸收的热 量就少，所需完全蒸发时间就越长。 可见，废水量对其完全蒸发时 间的影响较大。 在实际应用中，选择合适的气液比显得更加重要。

2．4 液滴初始速度的影响 液滴初始速度对其蒸发时间的影响如图 6 所示。 可见，液滴 初始速度从 60m ／ s 增加到 120m ／ s， 液滴完全蒸发时间波动不 大，在 0．53s 左右，说明液滴初始速度对其蒸发时间影响不大。 分析原因，液滴在热烟气中主要受到曳力和重力的影响，很 短时间内液滴就会达到烟气速度，跟随烟气运动，导致增大液滴 初始速度不能加速其完全蒸发。


2．5 液滴粒径的影响

从图 7 中可以看出， 不同粒径的液滴所需完全的蒸发时间 不同，当液滴粒径从 10μm 增长到 100μm 时，其完全蒸发时间 分 别 为 0．01s、0．035s、0．050s、0．072s、0．103s、0．143s、0．179s、 0．225s、0．367s、0．535s，粒径为 100μm 的液滴完全蒸发时间是 10μm 的 53 倍。 而且，随着粒径的增大，完全蒸发所需时间增加 的幅度也增加。 分析原因，一方面，液滴粒径越大，其质量越大，比表面积就 越小，与烟气间的换热量越小，其完全蒸发时间也越长；另一方 面，液滴质量越大，完全蒸发吸收的热量越多，其完全蒸发时间 也越长。 实际应用中，选择产生粒径的旋转雾化器就格外重要。 3 结束语 烟气温度越高，烟气速度越大，热烟气和废水液滴之间的传 热流量越大，废水液滴的蒸发速度越快，完全蒸发所需时间就越 短。 废水流量越大，液滴粒径越大，液滴完全蒸发时间越长；液滴 初始速度对其完全蒸发时间影响不大，在对旋转雾化器选型时， 应主要考虑废水流量以及产生的液滴粒径大小。